무밸브 마이크로 펌프의 성능평가를 위한 3차원 전기-유체-구조 상호작용 해석 Three Dimensional Electro-Fluid-Structural Interaction Simulation for Pumping Performance Evaluation of a Valveless Micropump원문보기
본 논문에서는 압전 작동기로 구동되는 무밸브 마이크로 펌프의 펌프 성능을 계산하였다. 선행연구에서 개발된 마이크로 펌프는 4층의 경량 압전 복합재료 작동기, PDMS로 된 챔버와 2개의 디퓨져로 이루어져 있다. 유한요소 해석은 압전 영역, 구조 영역 및 유체 영역을 완전 연성하여 수행되었다. 구조 및 압전 영역의 해석은 ANSYS를 사용하였으며, 유체영역의 해석은 ANSYS CFX를 사용하여 수행하였다. 작동 주파수가 10 Hz와 40 Hz인 경우에 대한 해석을 수행하여 작동 주파수가 유동 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 300 Hz까지의 유동 해석을 통하여 작동 주파수에 따른 유량을 계산하였다.
본 논문에서는 압전 작동기로 구동되는 무밸브 마이크로 펌프의 펌프 성능을 계산하였다. 선행연구에서 개발된 마이크로 펌프는 4층의 경량 압전 복합재료 작동기, PDMS로 된 챔버와 2개의 디퓨져로 이루어져 있다. 유한요소 해석은 압전 영역, 구조 영역 및 유체 영역을 완전 연성하여 수행되었다. 구조 및 압전 영역의 해석은 ANSYS를 사용하였으며, 유체영역의 해석은 ANSYS CFX를 사용하여 수행하였다. 작동 주파수가 10 Hz와 40 Hz인 경우에 대한 해석을 수행하여 작동 주파수가 유동 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 300 Hz까지의 유동 해석을 통하여 작동 주파수에 따른 유량을 계산하였다.
In this study, the pumping performance of a piezoelectric valveless micropump is simulated. The micropump, which was developed in the previous work, is composed of a four-layer lightweight piezocomposite actuator, a polydimethylsiloxane (PDMS) pump chamber, and two diffusers. The piezoelectric domai...
In this study, the pumping performance of a piezoelectric valveless micropump is simulated. The micropump, which was developed in the previous work, is composed of a four-layer lightweight piezocomposite actuator, a polydimethylsiloxane (PDMS) pump chamber, and two diffusers. The piezoelectric domain, the fluid domain and the structural domain are coupled in the three-dimensional simulation. We used ANSYS for the piezoelectric and structural domains and ANSYS CFX for the fluid domain. The effects of driven frequency on the flow rate have been investigated by simulating the flow characteristics for 10 Hz and 40 Hz driven frequencies. The flow rates with respect to driven frequencies up to 300 Hz have been calculated.
In this study, the pumping performance of a piezoelectric valveless micropump is simulated. The micropump, which was developed in the previous work, is composed of a four-layer lightweight piezocomposite actuator, a polydimethylsiloxane (PDMS) pump chamber, and two diffusers. The piezoelectric domain, the fluid domain and the structural domain are coupled in the three-dimensional simulation. We used ANSYS for the piezoelectric and structural domains and ANSYS CFX for the fluid domain. The effects of driven frequency on the flow rate have been investigated by simulating the flow characteristics for 10 Hz and 40 Hz driven frequencies. The flow rates with respect to driven frequencies up to 300 Hz have been calculated.
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문제 정의
본 연구에서 해석 대상으로 고려한 무밸브 마이크로 펌프는 이전 연구 [6]에서 개발한 것이다. 단일 PZT의 작동 성능을 향상시킨 압전-복합재료 작동기 LIPCA를 다이아프램으로 사용하였으며, 사진전사법과 PDMS 몰딩법으로 제작하였다.
본 연구에서는 ANSYS와 ANSYS CFX를 사용하여 전기-유체-구조를 연계한 무밸브 마이크로 펌프의 해석을 통하여 여러 가지 조건 하에서 마이크로 펌프의 성능에 대한 연구를 수행하였다. 시뮬레이션 결과 평균유동이 경계면에서의 속도와 작동주파수에 의존함을 알 수 있었다.
마이크로 펌프에서 가장 중요한 특성 중 하나는 유랑과 작동주파수 사이의 관계이다. 본 연구에서는 일정한 전압 하에서 주파수의 변화에 따른 유량의 변화를 계산하였다. 이때 인가된 전압은 200 Vp-p이다.
가설 설정
는 최대전압이고 ω는 작동주파수이다. LIPCA가 유연한 PDMS에 부착이 되어 있으므로, 원형의 LIPCA경계는 단순지지 되어 있다고 가정하였다.
유동은 3차원 층류 유동이며, 온도에 따라 유체의 물성치가 변하지 않는다고 가정하였다. Fig.
제안 방법
5mm이며 확대각은 8º이다. 기하학적 대칭성으로 인하여 유체모델은 전체 모델의 반만을 모델링 하였으며, 벽에는 no-slip 경계조건을 부가하였다.
본 연구에서 해석 대상으로 고려한 무밸브 마이크로 펌프는 이전 연구 [6]에서 개발한 것이다. 단일 PZT의 작동 성능을 향상시킨 압전-복합재료 작동기 LIPCA를 다이아프램으로 사용하였으며, 사진전사법과 PDMS 몰딩법으로 제작하였다. Fig.
현재까지의 무밸브 마이크로 펌프의 성능평가에 관한 연구는 주로 2차원 연구에 국한되어 있으며, 완전한 전기-유체-구조 상호 연성 해석을 수행한 연구를 찾기 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 이전의 연구에서 개발된 무밸브 마이크로펌프 [6]를 3차원으로 모델링한 후 전기-구조부분은 ANSYS를, 유체부분은 ANSYS CFX를 연계하여 사용하여 마이크로 펌프의 작동성능을 해석하였다. 성능해석 결과는 실험결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다.
무밸브 마이크로 펌프의 전기-유체-구조 상호 작용 현상을 해석하기 이전에, LIPCA 다이아프램의 작동변위를 실험결과 [6]와 비교하였다.
본 연구에서 마이크로 펌프의 작동기로 사용되는 압전 복합재료 작동기 LIPCA는 역방향 압전효과를 이용하여 기계적 변형을 획득한다. 역방향 압전효과란 세라믹 결정에 전위를 가하면 기계적인 변형이 발생하는 것을 말한다.
압전 작동기인 LIPCA 다이아프램의 전기-구조 연성해석을 위하여 다이아프램을 Fig. 2와 같이 모델링하였다. 대칭성을 고려하여 다이아프램의 반만을 모델링 하였으며, 총 15,656 개의 육면체 요소로 사용하였다.
3에 나타낸 바와 같이 ANSYS ICEM CFD를 사용하여 육면체 요소를 가지도록 격자를 구성하였으며, 사용된 격자의 수는 635,627 개이다. 유한 요소 모델의 질(quality)을 확인하여 충분한 갯수의 격자를 사용하였다.
12에 주파수의 변화에 따른 출구에서의 유량의 변화를 주기에 대하여 정규화한 시간에 대하여 나타내었다. 정규화한 시간은 가진 주파수가 유량의 시간적 변화에 미치는 영향을 고려하기 위하여 도입하였다. 그림에서 알 수 있듯이 주파수가 커짐에 따라 출구에서의 유량이 커지고 유체와 구조의 연성으로 말미암아 최대 유량이 발생하는 위치(피크의 위치)가 오른쪽으로 이동함을 확인할 수 있다.
대상 데이터
Fig. 3에 나타낸 바와 같이 ANSYS ICEM CFD를 사용하여 육면체 요소를 가지도록 격자를 구성하였으며, 사용된 격자의 수는 635,627 개이다. 유한 요소 모델의 질(quality)을 확인하여 충분한 갯수의 격자를 사용하였다.
2와 같이 모델링하였다. 대칭성을 고려하여 다이아프램의 반만을 모델링 하였으며, 총 15,656 개의 육면체 요소로 사용하였다. 일반적으로 동적 문제에서 비대칭 모드의 변형이 발생하면 대칭 모델을 사용할 수 없으나 전모델의 시험 해석과 실험 결과 대칭 모드의 변형이 나타나므로 대칭 모델의 사용이 가능하다.
데이터처리
따라서, 본 연구에서는 이전의 연구에서 개발된 무밸브 마이크로펌프 [6]를 3차원으로 모델링한 후 전기-구조부분은 ANSYS를, 유체부분은 ANSYS CFX를 연계하여 사용하여 마이크로 펌프의 작동성능을 해석하였다. 성능해석 결과는 실험결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다.
이론/모형
3차원 유체모델은 비압축성 나비아-스톡스 방정식을 사용하여 계산하였다.
구조-유체 연성 문제의 해결을 위하여 고체의 대변형 문제에 주로 사용되는 라그랑지안(Lagrangian) 방법과 유체 문제의 해석에 주로 사용되는 오일러리안 (Eulerian)방법의 장점을 결합한 ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian) 방법을 사용하였다.
열적 상사법을 사용하면 전기장의 분포가 특이한 경우를 제외하면 역방향 압전 효과를 해석할 수 있으나, 본 연구에서는 전기, 구조 뿐 아니라 유체가 연성된 문제를 해석하여야 하기 때문에 완전 연성법을 사용하였다. 본 연구에서는 전기-구조 연성 해석이 가능한 ANSYS를 이용하여 재료의 압전현상을 완전연성해석 방법으로 해석할 수 있다.
재료의 역방향 압전 현상은 두 가지 방법으로 해석할 수 있는데 하나는 열적상사(thermal analogy)를 이용하는 방법이고 다른 하나는 완전연성해석(fully coupled analysis)방법이다. 열적 상사법을 사용하면 전기장의 분포가 특이한 경우를 제외하면 역방향 압전 효과를 해석할 수 있으나, 본 연구에서는 전기, 구조 뿐 아니라 유체가 연성된 문제를 해석하여야 하기 때문에 완전 연성법을 사용하였다. 본 연구에서는 전기-구조 연성 해석이 가능한 ANSYS를 이용하여 재료의 압전현상을 완전연성해석 방법으로 해석할 수 있다.
성능/효과
8 μm이었으며 실험결과에서는 47 μm이었다. 따라서, 실험에서 구한 변위값과 계산값이 잘 일치하므로 전기-구조 연성해석이 원활하게 수행됨을 확인하였다.
본 연구에서는 ANSYS와 ANSYS CFX를 사용하여 전기-유체-구조를 연계한 무밸브 마이크로 펌프의 해석을 통하여 여러 가지 조건 하에서 마이크로 펌프의 성능에 대한 연구를 수행하였다. 시뮬레이션 결과 평균유동이 경계면에서의 속도와 작동주파수에 의존함을 알 수 있었다. 해석결과와 실험결과사이에 약간의 차이가 발생하고 있으나 본 연구결과는 최적의 작동주파수를 파악하는데 활용가능하다.
7에 실험 및 계산 결과를 비교하여 나타내었다. 실험에서 구한 변위 값은 인가전압이 200Vp-p 이내에서는 선형성을 보이다 200 Vp-p에서 400 Vp-p 사이에는 약간의 비선형성을 보이고 있다. 반면에 ANSYS 계산으로 얻은 변위 값은 전 구간에서 선형적인 값을 나타내고 있다.
후속연구
9%의 오차가 발생했다. 오차가 발생한 이유는 해석 시 부가한 경계조건과 실험에서의 경계조건 (예를 들면 벽과 디퓨져의 표면조도나 중력의 영향 등)사이의 차이점에 기인하며, 향후 이러한 부분을 고려하여 오차를 줄이는 연구를 수행하고자 한다.
시뮬레이션 결과 평균유동이 경계면에서의 속도와 작동주파수에 의존함을 알 수 있었다. 해석결과와 실험결과사이에 약간의 차이가 발생하고 있으나 본 연구결과는 최적의 작동주파수를 파악하는데 활용가능하다. 향후 확대각 및 디퓨져 길이 변화에 따른 마이크로 펌프 성능의 변화를 파악하여 최적의 기하학적 형상을 얻는 연구를 수행할 예정이다.
해석결과와 실험결과사이에 약간의 차이가 발생하고 있으나 본 연구결과는 최적의 작동주파수를 파악하는데 활용가능하다. 향후 확대각 및 디퓨져 길이 변화에 따른 마이크로 펌프 성능의 변화를 파악하여 최적의 기하학적 형상을 얻는 연구를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소형화된 통합 화학 분석 시스템을 개발하기 위해서는 어떠한 기술의 개발이 필요합니까?
최근 의공학 및 공학 분야에서 필요로 하는 소형화된 통합 화학 분석 시스템(micro-total analysis system, μ-TAS)을 개발하기 위해서는 먼저 소량의 유체를 정확한 양으로 처리할 수 있으며, 반응조건의 제어가 용이하고, 소량의 동력만을 필요로 하고, 전기장, 열, 초음파 등의 비전통적인 방법에 의하여 유체를 다룰 수 있는 기술의 개발이 필요하다[1]. 마이크로 펌프는 마이크로 밸브 등과 함께 소형화된 μ-TAS에 이용되는 핵심 요소 중 하나이다.
마이크로 펌프의 작동원리로는 어떠한 방법이 사용됩니까?
마이크로 펌프의 작동 원리로는 전기장 또는 자기장으로 다이아프램을 구동시켜 유체를 이동 시키는 능동적 방법과 삼투압이나 모세관 현상을 이용하는 수동적 방법을 사용되고 있으며 그 중에서 가장 널리 사용된 것은 압전 작동기를 사용하는 능동적 방법이다[2,3].
무밸브 마이크로 펌프의 장점은 무엇입니까?
무밸브 마이크로 펌프는 디퓨져/노즐을 사용하는 펌프로 밸브가 필요 없으며 기하학적 구조를 이용하여 유체가 흐르는 방향을 설계한 펌프이다. 체크밸브와 같은 복잡한 구조물이 필요 없기 때문에 펌핑의 신뢰도가 높다는 장점을 가진다[1]. 그러나 무밸브 마이크로 펌프는 역류현상을 완전하게 제거하기가 어려우며 이 때문에 무밸브 마이크로 펌프를 개발하기 위해서는 펌프의 성능예측 및 설계를 위한 수치해석 연구가 필요하다.
참고문헌 (9)
김도현, “마이크로플루이딕 시스템 현황”,화학공학, 제 42권 제 4호, pp. 375-386, 2004.8
P. Woias, "Micropumps-past, progress and future prospects", Sensors and Actuators B, 105, pp. 28-38, 2005.
K. J. Yoon, S. S. Shin, H. C. Park and N. S. Goo, "Design and Manufacturing of LIghtweight Piezo-composite Curved Actuator", Smart Materials and Structures, Vol. 11, pp. 163-168, 2002.
K. Mossi, Z. Ounaies, R. Smith and B. Ball, "Pre-stressed Curved Actutors: Characterization and Modeling of their Piezoelectric Behavior", Proceeding of SPIE's 10th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, San Diego, 2003.
구옌탄텅, 구남서, “원형 경량 압전 복합재료작동기를 이용한 마이크로 펌프의 개발”, 한국항공우주학회지, 제 34권 6호, pp. 35-41, 2006. 6.
James Nabity, "Modeling an ElectrostaticallyActuated MEMS Diaphragm Pump",ASEN 5519 Fluid-Structures Interactions, 2004.4
M.M. Athavale, H.Q. Yang, and A.J.Przekwas, "Coupled Fluid-Thermo-StructuresSimulation Methodology for MEMS Applications",CFD Research Corporation, 1997.
Documentation for ANSYS: Coupled FieldAnalysis Guide.
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